一種高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及發(fā)動機設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析方法。本發(fā)明提供一種高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析方法，包括以下步驟：A、收集發(fā)動機及曲軸系零部件相關(guān)數(shù)據(jù)；B、使用ExicitePowerUnit模塊搭建曲軸分析模型；C、對主軸承座進行網(wǎng)格劃分，并進行模型縮減；D、對曲軸進行自動網(wǎng)格劃分，并進行模型縮減；E、計算載荷邊界條件；F、使用Abaqus進行曲柄臂應(yīng)力計算；G、對曲軸連桿頸和主軸頸圓角進行網(wǎng)格劃分；H、使用Abaqus進行曲軸連桿頸和主軸頸圓角應(yīng)力計算；I、分析計算結(jié)果。本發(fā)明能減少大量時間和人力；保證網(wǎng)格質(zhì)量，同時減少大量時間消耗；分析模型建立快速；計算所耗時間縮短，計算結(jié)果收斂，效率高。
【專利說明】一種高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及發(fā)動機設(shè)計領(lǐng)域，尤其涉及一種高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析 方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 曲軸是發(fā)動機最重要的零部件之一，它的尺寸參數(shù)在很大程度上不僅影響著發(fā)動 機的整體尺寸和重量，而且在很大程度上影響著發(fā)動機的可靠和壽命。曲軸的破壞事故可 能引起其他零部件和發(fā)動機的嚴(yán)重損壞。在發(fā)動機的改進中，曲軸的改進也占有重要地位。 隨著內(nèi)燃機的發(fā)展與強化，曲軸的工作條件愈加苛刻。因此，曲軸的強度和剛度問題就變得 更加嚴(yán)重，在設(shè)計曲軸時必須正確選擇曲軸的尺寸參數(shù)、結(jié)構(gòu)形式、材料和工藝，以求獲得 最經(jīng)濟最合理的效果。
[0003] 曲軸是在不斷周期變化的氣體壓力、往復(fù)和旋轉(zhuǎn)運動質(zhì)量的慣性力以及它們的力 矩(轉(zhuǎn)矩和彎矩）共同作用下工作的，曲軸既彎曲又扭轉(zhuǎn)。曲軸形狀復(fù)雜，應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán) 重，特別是在曲軸軸頸與曲柄的圓角過渡區(qū)域應(yīng)力集中現(xiàn)象更為突出。因此，在發(fā)動機設(shè) 計過程中，對該區(qū)域?qū)⑦M行高效快速的動力學(xué)計算是非常有必要的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷或不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種耗 時短、效率高、可靠性高的高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析方法。
[0005] 本發(fā)明采取的技術(shù)方案為提供一種高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析方法，包 括以下步驟： A、 收集發(fā)動機及曲軸系零部件相關(guān)數(shù)據(jù)； B、 使用Exicite Power Unit模塊搭建曲軸分析模型； C、 對主軸承座進行網(wǎng)格劃分，并進行模型縮減； D、 對曲軸進行自動網(wǎng)格劃分，并進行模型縮減； E、 計算載荷邊界條件； F、 使用Abaqus進行曲柄臂應(yīng)力計算； G、 對曲軸連桿頸和主軸頸圓角進行網(wǎng)格劃分； H、 使用Abaqus進行曲軸連桿頸和主軸頸圓角應(yīng)力計算； I、 分析計算結(jié)果。
[0006] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟B中使用Exicite PU模塊的Bearing Wall 和 Generic Body 單兀。
[0007] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟B中將活塞的質(zhì)量特性增加到連桿小頭端。
[0008] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟B中，弓丨入Bearing Wall單元來表示主軸承 座，通過軸承連接副將曲軸與主軸承座連接起來。
[0009] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟E的載荷邊界條件是在輸入各工況下的爆發(fā) 壓力曲線后取得的。
[0010] 作為本發(fā)明的進一步改進，所述步驟I分析計算結(jié)果，根據(jù)結(jié)果分析是否滿足設(shè) 計要求，如不滿足，還需要進行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化。 本發(fā)明的有益效果是：采用了本發(fā)明的分析方法后，不需要對復(fù)雜零部件進行網(wǎng)格劃 分，減少大量時間和人力；可以對曲軸進行自動網(wǎng)格劃分，保證網(wǎng)格質(zhì)量，同時減少大量 時間消耗；分析模型建立快速；計算所耗時間縮短，計算結(jié)果收斂，效率高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0011] 圖1是本發(fā)明高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析方法的流程圖； 圖2是本發(fā)明高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析方法的分析模型示意圖； 圖3是本發(fā)明高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析方法主軸承座有限元模型圖。

【具體實施方式】
[0012] 下面結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】及【具體實施方式】對本發(fā)明進一步說明。
[0013] 如圖1所示，本發(fā)明提供一種高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析方法，包括以 下步驟： A、 收集發(fā)動機及曲軸系零部件相關(guān)數(shù)據(jù)；發(fā)動機結(jié)構(gòu)信息如缸數(shù)、沖程、點火順序等， 以及曲軸系零件活塞、連桿、軸承、曲軸等零件的相關(guān)信息； B、 使用Exicite Power Unit模塊搭建曲軸分析模型；不使用Engine/Power Unit和 Piston 單兀，使用 Bearing Wall 單兀，引入 Generic Body 單兀。在 Excite Power Unit 模 塊中，按照圖2所示的示意圖搭建分析模型。在分析模型中，不使用發(fā)動機Engine或動力 總成Power Unit單元，這樣就不用對缸體、缸蓋、油底殼、前端蓋和變速箱等復(fù)雜零件劃分 網(wǎng)格，以及進行網(wǎng)格文件縮減計算。眾所周知，CAE分析中，網(wǎng)格劃分占據(jù)大量時間和精力， 尤其是復(fù)雜零件。不劃分網(wǎng)格，節(jié)省了大量時間，使得分析周期大大縮短。
[0014] 在模型中，不使用活塞Piston單元，而將活塞的質(zhì)量特性增加到連桿小頭端?；?塞在曲軸的動力學(xué)分析過程中主要考慮其往復(fù)慣性作用的影響，而在分析過程中連桿有往 復(fù)慣性作用及旋轉(zhuǎn)慣性作用，因此，在本發(fā)明專利中將活塞的往復(fù)慣性作用與連桿的往復(fù) 慣性作用合并考慮，減少模型中單元數(shù)量，縮短計算求解時間。
[0015] 在分析模型中，引入Bearing Wall單元來表示主軸承座，通過軸承連接副將曲軸 與主軸承座連接起來。對主軸承座進行網(wǎng)格劃分，主軸承座結(jié)構(gòu)比較簡單，容易劃分網(wǎng)格， 如圖3所示。使用Abaqus對網(wǎng)格文件進行縮減計算。幾個主軸承座共用同一個主軸承座 網(wǎng)格縮減文件，節(jié)約不少時間。
[0016] 將發(fā)動機結(jié)構(gòu)信息及曲軸系零件信息輸入模型。
[0017] C、對主軸承座進行網(wǎng)格劃分，并進行模型縮減；使用Excite PU生成子系統(tǒng)網(wǎng)格 縮減計算輸入文件； D、對曲軸進行自動網(wǎng)格劃分，并進行模型縮減；使用Excite Power Unit模塊中的 Autoshaft功能，將曲軸進行自動網(wǎng)格劃分和縮減計算。
[0018] E、計算載荷邊界條件； F、使用Abaqus進行曲柄臂應(yīng)力計算；輸入各工況下的爆發(fā)壓力曲線，得到各工況下的 載荷信息。使用Excite Power Unit的FE Analysis功能，得到曲柄臂應(yīng)力計算的.inp輸 入文件。
[0019] G、對曲軸連桿頸和主軸頸圓角進行網(wǎng)格劃分； H、使用Abaqus進行曲軸連桿頸和主軸頸圓角應(yīng)力計算；用Excite Power Unit模塊 中的Fillet Modeler功能，對曲軸連桿頸和主軸頸圓角進行自動精細網(wǎng)格劃分。在FE Analysis中將精細圓角網(wǎng)格文件與曲柄臂網(wǎng)格文件融合，使用Abaqus對軸頸圓角進行應(yīng) 力計算。
[0020] I、分析計算結(jié)果。根據(jù)計算結(jié)果對曲軸系進行評價，如不滿足設(shè)計要求，還需要進 行優(yōu)化，重新進行計算。滿足，則完成分析。
[0021] 所述步驟B中使用Exicite PU模塊的Bearing Wall和Generic Body單兀。
[0022] 所述步驟B中將活塞的質(zhì)量特性增加到連桿小頭端。
[0023] 所述步驟B中，弓丨入Bearing Wall單元來表示主軸承座，通過軸承連接副將曲軸 與主軸承座連接起來。
[0024] 所述步驟E的載荷邊界條件是在輸入各工況下的爆發(fā)壓力曲線后取得的。
[0025] 所述步驟I分析計算結(jié)果，根據(jù)結(jié)果分析是否滿足設(shè)計要求，如不滿足，還需要進 行適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化。
[0026] 本發(fā)明在模型中不使用Engine/Power Unit單元，不用對缸體、缸蓋、油底殼、前端 蓋、變速箱等零件進行網(wǎng)格劃分，大量減少時間；模型中不使用Piston單元，將其質(zhì)量屬性 賦予連桿小頭上，減少單元數(shù)量。模型中使用Bearing Wall單元，將主軸承座進行網(wǎng)格劃 分，使用Abaqus對網(wǎng)格文件進行縮減計算，主軸承座可以共用1個網(wǎng)格縮減文件，節(jié)省時 間。
[0027] 該方法基于Excite Power Unit軟件，使用Hypermesh、Abaqus軟件對發(fā)動機曲軸 動力學(xué)進行分析計算，得到關(guān)注區(qū)域的應(yīng)力分布。實踐表明，該方法對于評價和優(yōu)化發(fā)動機 曲軸設(shè)計是快速有效的。
[0028] 以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認(rèn)定 本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在 不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應(yīng)當(dāng)視為屬于本發(fā)明的 保護范圍。
【權(quán)利要求】
1. 一種高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析方法，其特征在于：包括以下步驟： A、 收集發(fā)動機及曲軸系零部件相關(guān)數(shù)據(jù)； B、 使用Exicite Power Unit模塊搭建曲軸分析模型； C、 對主軸承座進行網(wǎng)格劃分，并進行模型縮減； D、 對曲軸進行自動網(wǎng)格劃分，并進行模型縮減； E、 計算載荷邊界條件； F、 使用Abaqus進行曲柄臂應(yīng)力計算； G、 對曲軸連桿頸和主軸頸圓角進行網(wǎng)格劃分； H、 使用Abaqus進行曲軸連桿頸和主軸頸圓角應(yīng)力計算； I、 分析計算結(jié)果。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析方法，其特征在于：所 述步驟B中使用Exicite PU模塊的Bearing Wall和Generic Body單兀。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析方法，其特征在于：所 述步驟B中將活塞的質(zhì)量特性增加到連桿小頭端。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析方法，其特征在于：所 述步驟B中，弓丨入Bearing Wall單元來表示主軸承座，通過軸承連接副將曲軸與主軸承座 連接起來。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析方法，其特征在于：所 述步驟E的載荷邊界條件是在輸入各工況下的爆發(fā)壓力曲線后取得的。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的高效快速優(yōu)化的曲軸三維動力學(xué)分析方法，其特征在于：所 述步驟I分析計算結(jié)果，根據(jù)結(jié)果分析是否滿足設(shè)計要求，如不滿足，還需要進行適當(dāng)?shù)慕Y(jié) 構(gòu)優(yōu)化。
【文檔編號】G06F17/50GK104102786SQ201410351554
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月23日 優(yōu)先權(quán)日:2014年7月23日
【發(fā)明者】王磊, 黃忠文, 唐海嬌, 王丹, 黃勇和 申請人:上汽通用五菱汽車股份有限公司